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基于二维码地标的移动机器人导航技术研究

李奎  
【摘要】:随着经济的发展以及各国对机器人领域的重视,国内外的移动机器人技术得以快速发展,移动机器人涉及的行业也越来越多,将机器人应用于工业生产中,可以解放劳动力、提高生产效率。移动机器人有视觉导航、惯性导航、电磁导航等多种导航方式,目前在仓储物流行业主要采用二维码地标实现机器人的自主导航。然而,机器人要完全应用于仓储物流,必须解决机器人定位、路径规划、运动控制、调度等多方面技术问题。在特定行业中选择一种合适的导航方式,可以节约成本、方便控制、提高多机器人协作效率。二维码导航具有体积小、成本低、定位准确等优点,因此将二维码地标应用于移动机器人的导航技术研究具有非常重要的理论价值和实际意义。首先,本文详细分析了移动机器人的导航技术、定位技术、路径规划技术以及二维码技术,通过比较各种导航方式和二维码的优缺点,最终以Data Matrix码为基础,实现了基于二维码地标的移动机器人导航系统方案设计,其系统由基于C++的上位机监控系统和基于ARM处理器的机器人组成。其次,对基于二维码地标的移动机器人全局路径规划进行研究。针对在二维码构建的结构化栅格工作环境下,分析了蚁群算法的路径规划存在停滞和收敛速度慢的问题,提出了一种改进蚁群算法应用于二维码移动机器人的路径规划方法。首先通过限制蚂蚁的搜索方向,即将机器人置于结构化栅格工作环境下,使其只能在水平和垂直方向上移动,进而提高算法的搜索效率。然后通过引入自适应期望函数和启发因子,动态调整状态转移概率,避免算法陷入停滞状态,提高算法的收敛速度。其次,针对机器人在转弯过程中耗费时间较长的问题,通过引入转弯影响因子得到扩展路径长度,进而根据扩展路径长度选取最优路径。最后通过仿真实验验证了改进算法的准确性。然后,对机器人运行过程中误差修正方法进行研究。机器人在二维码构建的栅格地图中运行只有少数节点可获取位姿信息,并且机器人本身存在系统误差,导致机器人长时间运行容易出现脱码的问题。本文融合二维码相机、光电编码器、陀螺仪获取的数据,弥补二维码信息较少的缺点,同时也可以减小光电编码器和陀螺仪的累计误差。在两个二维码之间根据双轮驱动移动机器人的运动特性,结合传感器信息对机器人进行微调,保证了机器人能准确到达下一个二维码,最终实现了机器人从起点准确到运行至目标点。最后,完成了整个系统的软硬件平台的搭建并进行实验检验,实验证明了本文改进的蚁群算法和误差修正方法的准确性,进一步表明了本文设计的导航系统的可行性。


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